Теоретическая информатика — математическая дисциплина использующая методы математики для построения и изучения моделей обработки, передачи и использования информации.
Сама теоретическая информатика распадается на ряд самостоятельных дисциплин. По степени близости решаемых задач их можно условно разделить на пять классов.
A.К первому классу относятся дисциплины, опирающиеся на математическую логику. В них разрабатываются методы, позволяющие использовать достижения логики для анализа процессов переработки информации с помощью компьютеров (теория алгоритмов, теория параллельных вычислений), а также методы, с помощью которых можно на основе моделей логического типа изучать процессы, протекающие в самом компьютере во время вычислений (теория автоматов, теория сетей Петри).
B.Это вычислительная математика и вычислительная геометрия. Слово вычислительная подчеркивает, что эти науки направлены на создание методов, ориентированных на реализацию в компьютерах.
C.Специально изучением информации как таковой (т. е. в виде абстрактного объекта, лишенного конкретного содержания), выявлением общих свойств информации, законов, управляющих ее рождением, развитием и уничтожением, занимается теория информации. К этой науке близко примыкает теория кодирования, в задачу которой входит изучение тех форм, в которые может быть отлито содержание любой конкретной информационной единицы (передаваемого сообщения, гранулы знаний и т. п.). В теории информации имеется раздел, специально занимающийся теоретическими вопросами передачи информации по различным каналам связи.
D.Переход от реальных объектов к моделям, которые можно использовать для изучения и реализации в компьютерах, требует развития особых приемов. Их изучением занимается системный анализ — наука, возникшая чуть более трех десятилетий назад. Системный анализ изучает структуру реальных объектов и дает способы их формализованного описания. Частью системного анализа является общая теория систем, изучающая самые разнообразные по характеру системы с единых позиций. Системный анализ занимает пограничное положение между теоретической информатикой и кибернетикой. Такое же пограничное положение занимают еще две дисциплины. Имитационное моделирование — одна из них. В этой науке создаются и используются специальные приемы воспроизведения процессов, протекающих в реальных объектах, в тех моделях этих объектов, которые реализуются в вычислительных машинах. Вторая наука — теория массового обслуживания изучает специальный, но весьма широкий класс моделей передачи и переработки информации, так называемые системы массового обслуживания.
E.Последний класс дисциплин, входящих в теоретическую информатику, ориентирован на использование информации для принятия решений в самых различных ситуациях, встречающихся в окружающем нас мире. Сюда, прежде всего, входит теория принятия решений, изучающая общие схемы, используемые людьми при выборе нужного им решения из множества альтернативных возможностей. Такой выбор часто происходит в условиях конфликта или противоборства. Модели такого типа изучаются в теории игр. Всегда хочется среди всех возможных решений выбрать наилучшее или близкое к такому. Проблемы, возникающие при решении этой задачи, изучаются в дисциплине, получившей название математическое программирование (не путать с программированием для компьютеров, слово программирование здесь употребляется в ином смысле). При организации поведения, ведущего к нужной цели, принимать решения приходится многократно. Поэтому выбор отдельных решений должен подчиняться единому плану. Изучением способов построения таких планов и их использованием для достижения поставленных целей занимается еще одна научная дисциплина — исследование операций. В этой же науке изучаются и способы организации различного рода процессов, ведущих к получению нужных результатов. Если решения принимаются не единолично, а в коллективе, то возникает немало специфических ситуаций: образование партий, коалиций, появление соглашений и компромиссов. Эти проблемы частично изучаются в уже упомянутой теории игр, но в последнее время активно развивается новая дисциплина — теория коллективного поведения, для которой задачи коллективного принятия решений — предмет специального изучения.
Кибернетика.
Кибернетика может рассматриваться как прикладная информатика в области создания и использования автоматических или автоматизированных систем управления разной степени сложности, от управления отдельным объектом (станком, промышленной установкой, автомобилем и т. п.) до сложнейших систем управления целыми отраслями промышленности, банковскими системами, системами связи и даже сообществами людей.
Кибернетика возникла в конце 40-х гг., когда Н. Винер впервые выдвинул идею о том, что системы управления в живых, неживых и искусственных системах обладают многими общими чертами. Установление аналогий обещало создание общей теории управления, результаты которой могли бы использоваться в самых разнообразных системах.
Эта идея получила подкрепление, когда появились компьютеры, способные единообразно решать самые разные задачи. Универсальность компьютерных вычислений наталкивала на справедливость гипотезы о существовании универсальных схем управления.
Эта гипотеза не выдержала проверку временем, но накопленные в кибернетике сведения о самых разных системах управления, общие принципы, которые частично все-таки удалось обнаружить, замена узкопрофессиональной точки зрения специалиста в данной области на взгляд с позиции общности внешне разнородных объектов и систем принесли большую пользу. Перенос идей и моделей из одних областей в другие, общение между собой специалистов разного профиля на некотором едином языке кибернетики сделали свое дело. Появились кибернетические по своему духу модели в науках, доселе не знавших точных методов и расчетов. Кибернетика сыграла большую роль в возникновении структурной лингвистики, в недрах которой активно развиваются математическая лингвистика и прикладная лингвистика. Возникли научные направления, получившие характерные названия: химическая кибернетика, юридическая кибернетика, техническая кибернетика и т. п. Все эти кибернетики изучают использование информации при управлении в том классе систем, который изучает соответствующая наука. А общая методология и ряд общих положений помогают получать в этом направлении теоретически и практически значимые результаты.
Наиболее активно развивается техническая кибернетика. В ее состав входит теория автоматического управления, которая стала теоретическим фундаментом автоматики. Трудно переоценить важность исследований в этой области. Без них невозможны были бы достижения в области приборостроения, станкостроения, атомной энергетики да, пожалуй, всех тех систем управления промышленными процессами и научными исследованиями, которые составляют значительную часть среды обитания человека. С теорией автоматического управления связана техническая диагностика, в задачи которой входит контроль за функционированием систем и поиск повреждений в них.
Заметное место в кибернетике занимает распознавание образов. Основная задача этой дисциплины — поиск решающих правил, с помощью которых можно было бы классифицировать многочисленные явления реальности, соотносить их с некоторыми эталонными классами. Распознавание образов — это пограничная наука между кибернетикой и искусственным интеллектом, ибо поиск решающих правил чаще всего осуществляется путем обучения, а обучение, конечно, интеллектуальная процедура. В кибернетике выделяется даже специальная область исследований, получившая название обучение на примерах.
Еще одно научное направление тесно связывает кибернетику с биологией. Аналогии между живыми и неживыми системами многие столетия волнуют ученых. Насколько принципы работы живых систем могут быть использованы в искусственных объектах? Что можно заимствовать у талантливого конструктора живых систем — Природы? Ответы на эти вопросы ищет бионика — пограничная наука между кибернетикой и биологией. Нейрокибернетика, как показывает ее название, пытается применить кибернетические модели в изучении структуры и действия нервных тканей.
Кибернетика, как уже говорилось, больше всего интересуется общими принципами управления в объектах различной природы. Поэтому ее весьма интересуют равновесные состояния в таких системах и способы их достижения. Равновесие тесно связано с идеей устойчивости, а именно устойчивость и способность сохранять длительное время свою форму, структуру и жизнедеятельность — характерное свойство не только живых, но и целесообразных искусственных систем. Упоминавшаяся уже теория автоматического управления в своей значительной части есть наука о достижении устойчивых состояний и способах их сохранения.Особенно сложен случай, когда равновесие достигается путем взаимодействия многих систем, соперничающих и даже конфликтующих между собой. Модели такого типа рассматриваются в теории игр или в системах взаимодействующих устройств различного типа (Коллективное поведение автоматов). Общие модели такого типа рассматриваются в гомеостатике — недавно возникшей и еще находящейся в стадии оформления науке.
Программирование.
Это научное направление своим появлением полностью обязано вычислительным машинам. Именно с ними связано программирование. (Правда этот термин встречается и в другом смысле, когда говорится о математическом программировании, линейном программировании и т.п., т.е. о программировании как специальной вычислительной процедуре. Встречаются и иные случаи использования термина программирование. Например, одно время весьма популярным методом обучения было программированное обучение.).
В начальный период своего развития программирование не имело под собой прочной теоретической базы и напоминало труд ремесленников высшей квалификации, когда качество работы определяется не знаниями, а профессиональным умением. Но с накоплением опыта программирования нащупывались общие идеи и положения, лежащие в основе построения программ для компьютеров и в самих процедурах программирования. Это повлекло за собой постепенное создание теоретического программирования, в котором сейчас можно выделить несколько направлений.
Одно из них связано с созданием разнообразных языков программирования, предназначенных для облегчения взаимодействия человека с вычислительной машиной и информационными системами. Кроме разработки языка, на котором пользователь записывает программы, необходимы еще специальные средства, обеспечивающие автоматический перевод записи программы на некотором языке программирования в форму, воспринимаемую устройствами компьютера. Этот перевод осуществляется специальными программными системами — трансляторами, разработка которых, как и создание языков программирования и решение еще целого ряда задач, связанных с обеспечением взаимодействия пользователя и машины, есть поле деятельности системных программистов. (Системное программирование — особая отрасль, в которой трудятся профессионалы высокого уровня, создающие программный продукт, тиражируемый вместе с математическим обеспечением).
Другая область деятельности системных программистов — создание операционных систем, без которых не может функционировать никакая вычислительная машина. Программисты такого профиля работают, как правило, на тех фирмах и в тех организациях, где производятся или разрабатываются компьютеры.
Тенденцией последних десятилетий стал переход от отдельных вычислительных машин к объединениям многих разнотипных машин в единую сеть сбора, обработки и передачи данных. Такая сеть напоминает развитую сеть связи. Она содержит в себе специальные каналы и сопутствующие им устройства для организации обмена данными между машинами. Для того чтобы различные компьютеры понимали сообщения друг друга, нужны специальные языки, записи на которых одинаково понятны всем абонентам сети. Такие языки называются протоколами связи. Разработкой протоколов также занимаются системные программисты.
Кроме системного выделяют проблемно-ориентированное программирование. Специалисты, работающие в этой сфере, создают пользовательские программы, нацеленные на решение задач в той или иной области человеческой деятельности, например для решения задач из области аэромеханики, банковских задач, задач медицинской диагностики и т. п. Эти же программисты создают специальные пакеты прикладных программ — удобное средство для пользователя, работающего в фиксированной проблемной области.
Наконец, большой отряд программистов связан с созданием программ для разного рода информационных систем, например для банков данных.
